ソノケミストリーによるディールス–アルダー反応の改善

ディールス–アルダー反応は、炭素原子間の結合を形成する必要がある化学合成で広く用いられています。超音波処理とそのソノケミカル効果は、ディールス–アルダー反応の駆動と促進に極めて有効であり、収率の向上と反応時間の大幅な短縮をもたらすと同時に、環境に優しいグリーンケミストリーの一翼を担います。

グリーンケミストリーのためのソノケミストリーによるディールス–アルダー反応の強化

ディールス–アルダー反応は、炭素原子間に結合を形成する化学反応です。ディールス–アルダー反応は、熱的に許容される[4+2]環化付加反応[_π4_s + _π2_s]に分類されます。超音波支援有機合成は、反応速度、収率および反応の選択性を向上させる、環境に優しく効率的な合成経路であるため、超音波処理は実験室や工業生産で広く用いられる、簡便で信頼性の高い技術です。ソノケミストリーによって促進される合成経路では、通常なら厳しい温度・圧力条件を必要とする有機変換を、常温・常圧条件で進められることが多く、エネルギーコストの節約に役立つとともに、化学合成をより安全な手順にします。

深共晶溶媒を用いた超音波ディールス–アルダー反応

深共晶溶媒（DES）は、共晶混合物を形成するルイス酸またはブレンステッド酸と塩基の溶液です。深共晶溶媒は不燃性で、蒸気圧と毒性が低く、多くの場合天然化合物から作られるため、より安全で環境に優しい代替溶媒です。超音波処理と深共晶溶媒は相乗的に作用することが知られており、化学合成だけでなく超音波抽出にも用いられています。深共晶溶媒の使用は、超音波で促進されるディールス–アルダー反応でも有益です。例えば、深共晶溶媒（DES）中でジエンの種類を変えながら、通常の加熱と超音波活性化の両条件下で、ジエノフィルとしてN-エチルマレイミドを用いたディールス–アルダー反応の促進に超音波処理が用いられます。
超音波活性化と深共晶溶媒の併用は有益であることが実証されており、大幅に短縮された反応時間で良好な収率が得られます。

超音波によって改善されたディールス–アルダー反応。
反応スキームはMarullo et al., 2020を基に改変

DESと超音波処理を用いたディールス–アルダー反応の一般的な手順

超音波で促進されるディールス–アルダー反応は、反応容器に超音波プローブ（ソノトロード／ホーン）を挿入して実施されました。先端直径0.5 cmの超音波プローブを使用し、公称出力は70 Wでした。反応は40°Cで、5 sec ONと20 sec OFFを繰り返すパルスモードの超音波処理を適用して行われました。超音波によって強化されたディールス–アルダー反応では、超音波を使用しない条件よりもはるかに短い時間で良好な収率が得られました（ソノケミカル反応と超音波を使用しない反応の所要時間は、それぞれ70 minと24 h）。
ソノケミストリーによって強化されたディールス–アルダー反応のエネルギー効率を評価するため、超音波を使用しないディールス–アルダー反応と超音波で促進されるディールス–アルダー反応のエネルギー消費量を比較しました。計算により、消費量は、超音波を使用しない反応で35,094 kJ/g、超音波支援反応で28.4 kJ/g（出力70 Wの正味エネルギーを持つ超音波ホーン）となりました。これは、ソノケミストリーによって駆動されるディールス–アルダー反応で99%のエネルギーが節約されることを意味します。これらの観察結果はいずれも、深共晶溶媒（DES）と超音波照射の併用が、ディールス–アルダー反応のような重要な合成プロセスに対する、効率的で省エネルギーな方法であることを強く示唆しています。（Marullo et al., 2020）

超音波処理と併用した各種深共晶溶媒の効果

超音波で促進されるディールス–アルダー反応では、深共晶溶媒である [ChCl]:[Fru] と [TBACl]:[EG] を溶媒として用いた場合に、最良の結果が得られました。 [ChCl]:[Fru] と [TBACl]:[EG] を溶媒として用いると、反応時間の大幅な短縮と収率の大幅な向上が得られました（ [TBACl]:[EG] では73%と87%、 [ChCl]:[Fru] では23と75%で、いずれもそれぞれ超音波を使用しない条件とソノケミカル条件での値です）。
一部の場合、具体的には [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly]、および [AcChCl]:[EG] を溶媒として用いた場合、収率は超音波を使用しない条件で得られる収率と同程度ですが、化学プロセスの速度はそれでも超音波処理によって大幅に向上します。
イオン液体（ILs）のような蒸気圧が低く粘性の高い溶媒では、こうした条件がより強いキャビテーション効果の発生を促進するため、超音波処理が極めて良好に機能します。深共晶溶媒はイオン液体と類似した物理的性質を持つため、超音波処理との併用に適しています。深共晶溶媒（DES）と超音波処理の相互作用により、ディールス–アルダー反応に必要なエネルギーが大幅に低減されます。非常に良好な収率を得ながら、反応時間が24 hから70 minへと大幅に短縮されることが確認できます。プロセス効率の観点では、これは深共晶溶媒（DES）と超音波処理の併用により、超音波を使用しない条件の10倍の量の材料を処理できることを意味します。（Marullo et al., 2020）

オキサ二環式アルケンの超音波ディールス–アルダー反応

Weiら（2004）は、超音波処理によって促進される、置換フランとアセチレンジカルボン酸ジメチル（DMAD）やマレイン酸ジメチルなどの反応性ジエノフィルとのディールス–アルダー反応により、官能基化されたオキサ二環式アルケンが良好な収率で得られることを示しました。2-vinylic furansとDMADの位置特異的なフラノ・ディールス–アルダー環化付加反応を超音波で促進することで、官能基化されたオキサ二環式アルケンが良好な収率で得られました。

ソノケミストリーによる環化付加反応の改善

Bravoら（2006）は、イミダゾリウム系イオン液体を反応媒体として、シクロペンタジエンまたは1,3-cyclohexadieneとカルボニルジエノフィルとの間で起こる一連のソノケミカル環化付加反応について記述しました。超音波処理がこれらの環化付加反応を効果的に改善し、対応する超音波を使用しない反応と比較して、収率の向上および／または反応時間の短縮をもたらすことを実証しました。例えば、メチルビニルケトンやアクロレインなどの単純なα,β-不飽和ジエノフィルでは、超音波活性化の効果は明白です。メチルビニルケトンの場合、穏やかな超音波処理によって1 h以内に89%の収率が得られる一方、超音波を使用しない反応では、同じ反応時間内の収率はわずか52%でした。

ソノケミストリーで促進されるディールス–アルダー反応のためのあらゆるサイズの超音波装置

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下表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。